带隔离的E2类DCDC变换器

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摘要：直流-直流变换（DC/DC变换）电源在工业和日常生活中的应用已经非常广泛。各种开关电源已经占据了主要地位。开关电源技术研究的重要内容是进一
步提高功率密度，即减小体积。而提高功率密度与变换效率又会产生矛盾。本文
1 C, ~0 I* x# `! m  h的主要目标是在保持效率的前提下，尽可能减小体积。
! _$ R, s2 V7 Y% o3 N: vPWM控制方式的开关电源是当今开关电源的主流控制方式。传统的PWM
控制方式中，功率管工作在硬开关状态，功率管承受的应力大，开关损耗大。E2
* ^1 e# d# t3 K7 l0 b+ [类软开关电路可以降低开关损耗，抑制开关产生的电磁干扰，有助于进一步提高
7 F  I& X& U5 Z! H! E* r  t: p1 ^开关频率，使电源向体积小，重量轻，效率高，功率密度大的方向发展。本文在
5 z2 G/ K' N/ Q* {( g传统的E类逆变器以及卫类整流器基础上提出了-种带隔离的P类DCDC变
  C0 ?. D6 D- a换器，该方案仅使用一个电感性元件，既实现了输入、输出的隔离，又实现了逆
' k1 z' M$ X' D- O) A  r变和整流的双重E类软开关模式。有效地减小了整个变换器的体积。
本文首先对传统E类逆变器以及E类整流器的工作原理进行介绍，在此基
础上提出了一种带隔离的类DC/DC变换器，并对其电路拓扑，工作原理和电
; e) Z* s3 {; Q' ]. S路特性进行分析。基于对该DC/DC变换器的分析，本文设计了一台三相交流输
0 l, c- i- T' k入，输出功率达到12kW的DC/DC变换器，给出了该系统的设计参数，并通过
/ ]/ c( x5 x7 X/ N% g了仿真验证，同时设计了该电源的驱动控制电路，并最终给出了该电路的实际调
- C0 |6 {4 B3 s$ U  x( F0 ^6 j试结果。

8 N( c# T1 D, W- C9 i变压器在本系统中不仅有电气隔离的作用，而且变压器的原边电感还参与了
1 N; Q  Y) F% _谐振。对于高频变压器的设计，不仅要考虑到原副边匝数，磁心大小以及气隙大
小的影响，而且还考虑分布参数的影响。本文中给出了这个变压器的具体设计过
程。
" K7 O5 y2 |. m7 s在本电路中由于IGBT两端承受的电压较高，所以采用了两个IGBT串联的
2 d9 u2 ]' U& p) t1 H; F3 w结构，但在实际应用中经常会出现串联的IGBT由于电压不均衡而损坏的问题。
4 |) j/ o$ N* {( S% J+ Z: s因此在本文的最后，针对本文中的电路拓扑的特点，设计了一种比较简单的均压
电路。
关键词:开关电源，E类，IGBT，串联均压
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电力电子技术的发展方向，是从以低频技术为主的传统电力电子学，
. X+ ?! M  A# L( z- h向以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于上世纪五十
年代末六十年代初的硅整流器件，在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的
曾及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管和门极可关断晶闸管成为当时电
力电子的主角。类似的应用还包括高压直流输出和静止式无功功率动态补偿等。
这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低
( g. j, L" |: l0 C1 |频范围内。进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代
电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术中的精细加工技术和高压大电
! \% Y) {  y6 _  ^6 G8 T流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET 的
问世，是中小功率电源得以向高频化发展，而后绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来了机遇。MOSFET和IGBT的相继
: m' [% G2 Q2 Z6 S% y0 t问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。新型器件的发展不仅为电
机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不
# {" M" A0 L% ?断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和
智能化提供了重要的技术基础。
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DC-DC